基于Geomagic studio 的卡通龍逆向設計

劉利劍，賈俁賢，劉袁祿，賈曉雷，李學卿，李國超

（1 河北科技大學機械工程學院 河北 石家莊 050000）

（2 河北智取科技有限公司 河北 石家莊 050000）

0 引言

逆向工程是將實物樣件或手工模型轉化為數模再制造的技術，包含數據掃描、數據處理與數模重構、模型制造4 個階段，是將實物模型轉變為CAD模型的相關數字化測量技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱[1]。簡單地說，逆向工程的核心就是根據已經存在的產品模型，通過掃描物體模型表面特征等方式反向推出產品設計時確定的各項數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程，是一個“從有到無”的過程，后續可以根據所得數據，在原有模型的基礎上進行特征修復、優化、個性化改進等操作，得到符合要求的全新產品。

在實踐中，具體的工作流程見圖1：模擬工作環境，按照產品逆向設計與快速制造流程，選擇適用的數據掃描設備，進行掃描工作采集產品數據，對采集的產品數據進行數據處理和數模重構，選擇合理的快速成型工藝，快速制造出新產品。逆向工程技術應用的重大意義在于：逆向工程不是簡單地把原有物體還原，它還要在還原的基礎上進行二次創新。逆向工程作為一種新的創新技術，現已廣泛應用于許多領域，并取得了重大的經濟和社會效益[2]。

本次逆向掃描及結構重構工作是以某一款卡通龍模型作為研究對象，在存在現有模型，但是缺少卡通龍模型具體各部分尺寸數據的情況下，利用非接觸式測量方式中的掃描儀對其進行多角度掃描工作，并獲取數據，將卡通龍模型通過數字化的方式表示出來，之后通過逆向工程軟件進行注冊、縫合等工作進行面片拼接，得到產品完整的模型數據，為后續對模型進行個性化處理以及產品開發制作等工作提供先決條件。

1 數據采集

在數據采集方面，按照模型表面數據的獲取方法分為接觸式測量與非接觸式測量兩種。非接觸式測量又可以細分為光學式和非光學式，其中三角形法、結構光法、激光干涉法、計算機視圖法4 種共同組成光學式測量方法；非光學式測量方式包含CT 測量法、MRI 測量法、層切法、超聲波法；接觸式測量則有觸發式和機械手臂兩種測量方法[3]。

三坐標測量機CMM 是常用的接觸式測量儀器，其結構見圖2，工作中優點為精確度高，測點數據均為有用點數據，可直接測量工件的特定幾何特征，如尺寸公差、形狀公差和位置公差；缺點因工作模式為單點多次接觸測得數據，容易造成測量速度較慢需要長時間等待，測量前要進行測頭半徑補償，接觸力大小影響測量值且會造成表面磨損，測量過程中工件不能移動[4]。

非接觸式測量法中的依靠光學掃描儀器進行掃描以獲取目標模型點云數據是最常用的測量法之一，用掃描儀進行掃描的優點為速度快，無探頭因此不需要進行半徑補償，對精密表面不會造成損傷，對工件柔軟度沒有要求等；相比接觸式測量的缺陷則是精度相比較低，不易測量都橋面，無法對激光不能達到的地方進行測量，對于表面較暗的模型有時候會用顯影劑噴涂到零件表面，有時則需要在零件表面粘貼標志點等。

在對模型進行掃描前需要選擇合適的掃描工具和掃描方式，對不同外形結構、表面材質的模型進行掃描工作，需要做到在不破壞模型特征的情況下選擇合適的掃描角度、掃描次數等。對三坐標測量機等需要和模型進行接觸的掃描工具進行設置時，還需要做到合理規劃探頭路徑等工作，盡可能得到精度與準確率較高的數據。同時也要注意環境對掃描結果的影響，盡量避免存在盲區。

本文所用儲蓄罐是一個卡通龍的形狀，細節特征多且不規則，掃描點云數據階段不宜用三坐標測量機進行掃描測量，基于現有模型選擇較好的掃描策略，應選用非接觸式測量方式中的光學掃描儀進行模型表面特征數據掃描測量工作，對儲蓄罐進行多角度無死角的數據采集，獲取完整點云數據進行模型重構處理得到外形數據后抽殼鏤空即可得到最終數模。本文所用掃描儀為加拿大Creaform 公司REVscan 掃描儀，見圖3。

本文選擇用美國Raindrop 公司出品的逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio 進行掃描后數據處理工作，該軟件對于點云處理、多邊形處理、曲面處理方面有較為完善且便捷的功能，能迅速且準確地依托掃描所得點云數據創建出相應多邊形模型和網格并生成曲面。在獲得掃描數據后，利用此軟件進行后續點階段處理以及多邊形階段的表面處理，得到最終處理后的成品模型。

2 數據處理

由于掃描物為工藝品，外形光滑，并且對其所重構模型的精度要求不是很高，因此可以通過Geomagic Studio對所掃描點云數據進行點階段和多邊形階段的數據處理，在獲得多邊形模型的基礎上通過精確曲面的自動化曲面化完成模型重構。數據處理及數模重構兩階段：點階段，多邊形階段。

2.1 點階段處理

點階段數據處理步驟：導入全部視圖數據，刪除無關的數據點，手動注冊不同視角數據，全局注冊，合并數據。由于在數據掃描過程中會存在某些物體的面積較大的情況，不能被設備一次采集完全，無法通過單次掃描將物體的整體數據獲取，這時可以通過選擇多個不同角度，以物體為中心目標進行多次體面掃描，得到同一個對象的多視角掃描數據，之后對多次掃描所得點云數據進行掃描后處理。具體操作為首先打開Geomagic Studio 軟件導入測量得點云圖，見圖4，隱藏多余方向測量圖，對單個點云圖像進行無關數據點的刪除，這一步需要注意刪除細小無關數據，逐次將所有掃描圖進行刪除無關點后再進行下一步注冊。

無關點完全刪除后需要用到“注冊”命令，其具體又分為“手動注冊”和“全局注冊”兩種不同方式對齊操作，兩種命令結合使用可以將多個掃描數據注冊成一個完整的數據模型。進行多塊模型對齊操作時首先按住ctrl 選擇兩個模型，選擇“對齊”命令中“手動注冊”按鈕，之后點擊“n 點注冊”，分別在“固定”和“浮動”中選擇兩個模型，見圖5，在“固定”與“浮動”兩視圖窗口選擇兩個模型3 個共同點，做到盡可能減少誤差，點擊“注冊器”后確定即將兩個數據模型整合為一個“組”，選擇“組”與剩余數據模型反復進行上述操作，最終所有數據整合為一個組的數據模型，再檢查各部位貼合程度和完整程度。

全局注冊是對兩個或者更多初始拼接后的點對象或多邊形對象進行精細拼接，注意操作欄中選擇“注冊”而非“分析”。全局注冊后卡通龍如圖6 所示。至此點階段處理已完成，下一步可繼續進行多邊形階段處理工作。

2.2 多邊形階段處理

點云注冊階段處理完成之后可以通過其他命令進行封裝，“合并”命令是將兩個或多個點對象合并為一個點對象，從而生成一個新的多邊形對象。點階段任務完成后，點擊合并按鈕，調節采樣中執行質量數值，這里選擇數值為2，之后系統進行點的合并和封裝工作。

合并完成后用網格醫生對多邊形對象進行一次自動修復圖形缺陷，缺陷會在圖形中用紅色標記出來。由于在掃描以及點處理階段難免會有數據缺失導致多邊形圖形中產生一些孔的缺陷，所以在軟件自動修復后還需要手動進行一些修復工作。點擊“填充單個孔”選項，選擇按照“曲率”填充“內部孔”進行填充，見圖7、圖8。

孔填充后進行模型表面的光滑處理，這里選用砂紙操作，砂紙操作是使用自由手繪工具使多邊形網格更平滑。在操作中選擇“松弛”，強度按照要求設定，這里設定在中間。進行砂紙打磨后接下來減少噪音，作用是將點移至統計的正確位置以彌補一些誤差（如掃描儀誤差）。在參數中選擇自由曲面形狀，設定好平滑度再進行操作。

松弛作用為最大限度減少多邊形之間的角度使多邊形網格更加平滑，調節參數控制平均距離與標準偏差后進行操作。在逐步進行網格醫生修復問題，孔填充，砂紙打磨以及松弛操作后多邊形階段操作階段工作已基本完成，接下來將多邊形對象轉化為參數曲面，曲面重構的目的是通過自動曲面化的操作實現模型的曲面重構，得到滿足要求的曲面模型。點擊自動曲面化，在出現的曲面片問題中選擇“否”，之后進行軟件自動計算即可得到所需成品圖，見圖9。

3 結語

通過逆向工程技術，應用Geomagic studio 軟件可以快捷方便地對三維掃描數據進行一系列處理，最終得到完整的曲面模型和實體模型，下游應用（制造過程）和正向設計完全一致。

需要指出的是，逆向工程不僅僅是對掃描對象進行單一的建模工作，它可以以模型原型為基礎，對通過掃描得到的三維模型進行二次加工創作，進行符合不同要求的個性化定制改進，依托于逆向技術的產品創新設計已經被廣泛應用于生活、工業等領域，并取得了較好的社會反響，許多企業適應小批量生產和多樣化的生產要求進行自身優化，在激烈的市場競爭中占據有利的地位。